Molecular modelling of transmembranar transporters for chloride

Abstract

Ion transport across cell membranes is crucial for the maintenance of cellular and organic homeostasis. When the ions transport is impaired, several disorders may arise, such as channelopathies. Over the last decade, potential synthetic substitutes for the impaired ion channels have been developed, with the ability to mimetic their functions. In this context, tripodal synthetic molecules incorporating thiourea binding groups were experimentally investigated as anion receptors and transmembranar transporters. The obtained results demonstrated the ability of these carrier molecules to mediate the chloride diffusion across POPC lipid vesicles. Inspired by these hints, computational studies with two molecules of this receptors’ set were undertaken in solution and in phospholipid membrane, using molecular mechanics calculations and molecular dynamics simulations, with the GAFF force field. This thesis reports and analyses the results obtained. The solution studies carried out in dimethyl sulfoxide/water solution show that the anion associations are stabilised by multiple N-H•••Cl- hydrogen bonds. In contrast, when solvated in water, the receptors promptly released the anion. The observed behaviours suggest the potential use of these carriers as membrane transporters. Before the evaluation of the chloride associations’ behaviour in the membrane model, the water model and phospholipid atomic charges to be utilized along with GAFF, describing the phospholipid bilayer, were investigated. The best set of parameters found is composed of SPC/E water model and unconstrained RESP atomic charges. The two chloride associations were placed in an overhydrated membrane model in two alternative starting positions: inside of the bilayer and in the water phase. Generally, the migration of the receptors to the water/lipid interface was observed. Moreover, in the first scenario, the chloride release occurs when the carrier reaches the interface, while in the second one, the chloride release happens in the water phase, before the receptors’ internalization. In most cases, the receptors have nested themselves near the lipid head groups, exerting little effect on the studied biophysical membrane parameters.

O transporte de iões através da membrana celular é crucial para a manutenção da homeostasia celular e orgânica. Quando o transporte de iões está afectado, várias patologias podem surgir, tais como canalopatias. Durante a última década surgiram vários potenciais substitutos de origem sintética para os canais iónicos afectados, com a capacidade de mimetizarem as suas funções. Neste contexto, receptores sintéticos trípodes, incorporando grupos de reconhecimento tioureia, foram investigados experimentalmente como receptores de aniões e transportadores transmembranares. Os resultados obtidos demonstraram a capacidade destes carregadores para mediarem a difusão de cloreto através de vesículas lipídicas de POPC. Com base nestes indícios, realizaram-se estudos computacionais com duas moléculas desta série de receptores, em solução e numa membrana fosfolípidica, utilizando cálculos de mecânica molecular e simulações de dinâmica molecular, com recurso ao campo de forças GAFF. Nesta tese são apresentados e analisados os resultados obtidos. Os estudos efectuados em solução de dimetilsulfóxido/água mostram que as associações com cloreto são estabilizadas por múltiplas ligações de hidrogénio N-H•••Cl-. Por oposição, quando solvatados em água, os receptores perdem imediatamente o anião. Os comportamentos observados sugerem a utilização potencial destas moléculas como transportadores membranares. Antes da avaliação do comportamento das associações com cloreto no modelo de membrana, investigou-se o modelo de água e as cargas atómicas dos fosfolípidos, utilizados conjuntamente com o GAFF na descrição da bicamada fosfolípidica. Determinou-se que o melhor conjunto de parâmetros consiste no modelo de água SPC/E e cargas atómicas RESP não constrangidas. As duas associações com cloreto foram colocadas em duas posições iniciais alternativas num modelo de membrana super-hidratado: dentro da bicamada e na fase aquosa. Genericamente, observou-se a migração de ambos os receptores para a interface água/lípido. Adicionalmente, no primeiro cenário, a libertação do cloreto ocorre com a chegada receptores à interface, enquanto que, no segundo cenário, o cloreto é libertado na fase aquosa antes da internalização dos receptores. Na maioria dos casos, os receptores aninharam-se perto das cabeças dos fosfolípidos, afectando ligeiramente alguns dos parâmetros biofísicos da membrana.